陳紅發(fā)

（寧波市象山縣水利和漁業(yè)規(guī)劃中心，浙江 象山 315700）

1 問題的提出

海塘護堤作為濱海防浪御潮的基礎設施，是保護對象的安全屏障。直接影響防護工程的海域動力主要因素為風速、波浪和潮位、流速，歸納為風浪與潮流即風潮組合。

實施海塘安瀾工程主要是保海灘、固堤岸、培護塘，涉及生態(tài)景觀、灘涂利用、海上風電、交通漁港和文化旅游等方面。本著整體、協(xié)調(diào)、持續(xù)的發(fā)展原則，遵循海域尺度、時間進階、功能融合的均衡法則，考量標準、安全、經(jīng)濟的技術準則。將國家標準GB 50201—2014《防洪標準》、GB/T 51015—2014《海堤工程設計規(guī)范》及行業(yè)標準、地方標準《浙江省海塘工程技術規(guī)定》（浙江省水利廳1999年出臺）等融會貫通，取長補短鎖定海岸隨機遭遇風潮組合的蝴蝶效應。

海塘工程設計規(guī)范推薦風潮組合以同頻率為宜，認為同頻共振是最不利工況，而現(xiàn)實遭遇風潮組合多是異頻率，要轉(zhuǎn)換為同頻率考量，故開展基礎理論研究，采用重現(xiàn)期風險概率模型方法，經(jīng)過模型驗證和實踐應用，具有自然普適性，可拓展應用于其他領域。關鍵技術問題的核心內(nèi)容分為3個方面：標準與風潮組合、結(jié)構(gòu)與防浪御潮、風險與預測防范。

2 標準與風潮組合

海塘防御功能的規(guī)劃設計標準，以重現(xiàn)期表示綜合性指標，關聯(lián)保護對象的要求與防護結(jié)構(gòu)的需要協(xié)調(diào)統(tǒng)一，力爭體現(xiàn)安全性高、風險性小和投資額少的規(guī)劃設計思想，合理規(guī)避風險，提高防御能力。風險概率指滿足共現(xiàn)概率的同現(xiàn)概率，是保證隨機風潮組合的防護結(jié)構(gòu)的關鍵技術指標。以潮位頻率重現(xiàn)期T為基準，相應匹配風速頻率重現(xiàn)期組合的閾值（T/LnT，T/（1-Ln（e-1）））比較寬泛，同頻只是特殊情景，可以最大限度適應海況環(huán)境變化，滿足設計標準重現(xiàn)期。

2.1 防御標準選擇

針對發(fā)生的自然災害現(xiàn)象，存在周期性的重現(xiàn)規(guī)律。鑒于小冰河期存在周期為100～400 a，呈現(xiàn)旱澇以11 a與30 a周期疊加變化，其實是日地月活動周期合律。根據(jù)《海塘工程風潮組合風險研究》，接近太陽輻射和磁暴作用對地球大氣環(huán)境產(chǎn)生影響的周期11 a或者22 a，與月球影響長短周期18.61 a或者8.85 a耦合周期（97.35～409.42）閾值關聯(lián)。其中月球引潮力為太陽的2.18倍，而且潮汐變化與太陽活動有相同的200 a（18.61×11=204.71）組合周期，與氣候特性周期一致。

海塘防御標準的重現(xiàn)期高，則安全性強，相應風險低，但是經(jīng)濟性差?；谏鐣?jīng)濟發(fā)展水平，從保護對象的規(guī)模和重要性出發(fā)，防御標準選擇以200 a一遇為界比較適宜，特別重要的可取至400 a一遇，以應對極端海洋氣象環(huán)境變化。需要特別說明的是，就防護結(jié)構(gòu)的安全和可靠性而言，選取最不利工況的風潮組合頻率匹配，相應風潮頻率重現(xiàn)期與設計標準重現(xiàn)期不一定相同，并且存在無窮多組合，即風潮組合異頻率狀況。尤其是高、低防御標準的風潮組合異頻情況（高頻率潮位T＜e2遇強風速增水驟然升高，風潮組合存在正相關無序，如象山“八一”臺災情況；低頻率潮位T≥e2的增水升高相對減弱，風潮組合存在負相關有序），主要考慮經(jīng)濟性問題采用風潮異頻組合。

海塘工程設計標準具有時效性，主張適度提升，相應工程級別可能提高。鑒于既有海塘工程主要存在2個核心問題的技術標準考量：其一是安全性。工程級別安全系數(shù)難以滿足規(guī)范要求，涉及軟土地基加固技術應用，處理難度大、施工時間長、工程費用昂貴。其二是適宜性。因標準提升必然會增大波浪要素值，相應越浪量可能超越允許控制指標，勢必加高塘頂高程從而削弱整體穩(wěn)定程度，或者調(diào)整允許越浪量控制指標。而采取加強落實工程技術管理措施以彌補既有缺陷、消除潛在風險隱患，不如直接采取防御越浪結(jié)構(gòu)的保護措施，顯得可行有效且經(jīng)濟合理。

關鍵技術的焦點是工程級別與對應技術指標的響應配置，具有一定預設的先驗性，與事實無法匹配。而現(xiàn)有規(guī)范是強制性內(nèi)容，缺乏保持原有設計工程級別的靈活空間。要區(qū)別設計重現(xiàn)期與風潮遭遇頻率重現(xiàn)期的關系，前者是保護對象的要求，后者是防護結(jié)構(gòu)的需要，將二者融合于海塘工程防浪御潮主體功能之中。

針對具體工程綜合系統(tǒng)功能多樣性的要求，利用風潮組合的研究成果，增強針對性，減少盲目性，有必要借助數(shù)學物理模型驗證，統(tǒng)計既往風潮頻率組合遭遇致災狀況，邀請學者專家進一步分析論證權衡利弊，認可海域風潮邊界適宜的控制范圍，確認保安提效升質(zhì)的標準和風潮組合頻率配置，報上級技術主管部門審查認定批復。

2.2 風潮組合分析

海塘工程水毀調(diào)查分析和觀測資料表明，針對關鍵技術和主要特點，其核心是風浪與潮位的組合，即風潮組合匹配。近岸影響最大是潮位，其次是風速，但是過程中相互伴隨并非同頻率，尤其外海風潮組合低重現(xiàn)期，風速起決定作用，產(chǎn)生耦合振蕩波浪逐漸涌向海岸，從而脅迫潮位增高，要視海況權衡選擇。潮位與風浪是按一定的規(guī)律進行有機組合，出現(xiàn)高潮位時，風浪不一定最大，對海塘工程威脅相對較小；出現(xiàn)最大風浪時，潮位不一定最大，可能對海塘帶來較大威脅；最高潮位與最大風浪同時相遇，造成海塘損壞甚至潰毀。但是風速增大到一定時或者逐漸趨向緩慢甚至減弱時，潮位控制決定最大波高，不同頻率的重現(xiàn)期潮位差異較小，而不同風速造成的浪高差值較大，與潮位比較，表現(xiàn)為變化的風浪對海塘的動態(tài)沖擊是海塘破壞的主要因素，但是受到潮位限制，需控制極限波高。關鍵問題是解決海塘風浪越頂，避免影響工程安全運行。極限波高是個比較敏感的參數(shù)指標，但貢獻并不一定最大，應當結(jié)合其他重要指標，對事件相關性、伴隨性進行分析判斷，以達到安全與經(jīng)濟的均衡。

e常量是自然對數(shù)底數(shù)，要求重現(xiàn)期T≥e2，否則存在相關系數(shù)突變，即正相關無序。

2.3 主要成果

根據(jù)防潮設計標準重現(xiàn)期T，以設計潮位頻率重現(xiàn)期Ta=T為基準，確定風潮頻率組合方式，考量隨機風潮組合的因果性、相關性和伴隨性，滿足防浪結(jié)構(gòu)安全可靠。為適應風潮組合的不確定性兼顧經(jīng)濟性，匹配設計風速頻率，重現(xiàn)期Tb基本準則為：

（1）設計低標準10 a≤T＜20 a，Tb?。═，T/（1-Ln（e-1）））之間，重現(xiàn)期T在10 a附近宜取大值，強化防浪結(jié)構(gòu)適應風速的不確定性，降低除險加固維護費用；

（2）設計中標準20 a≤T≤50 a，Tb取相同頻率重現(xiàn)期T；

（3）設 計 高 標 準50 a＜T≤400 a，Tb取（T/（LnT-1）≥50，T）之間，隨工程重要性、經(jīng)濟性而定。

針對既有標準海塘工程的設計標準重現(xiàn)期T，遭遇隨機頻率重現(xiàn)期的風潮組合情景要求T≥（TaTb）0.5安全；否則存在風險，按同現(xiàn)概率P（T∩）值查表2風險閾值的分等級預警，作好安全防范工作。綜合研究成果，基于潮位設計標準重現(xiàn)期T，能夠保證風潮組合的防浪工程結(jié)構(gòu)的可靠性在（2/e，1-T-1）之間，而且遭遇情境的可能性為P（T∪）= 1-T-1，即共現(xiàn)概率條件明確。

3 結(jié)構(gòu)與防浪御潮

海塘工程的規(guī)劃設計進程，從傳統(tǒng)的“潮四浪三”向現(xiàn)代的“風潮組合”技術演進。從遭遇臺風暴潮組合頻率關系中，關注水文、水力和水量的相互關聯(lián)制約，動力因子由風速與波浪、潮位與流速決定，利用重現(xiàn)期超越概率原理，以潮位為水文基準認證綜合系統(tǒng)功能層次，從風浪要素論證結(jié)構(gòu)性能，結(jié)合越浪水量確立最佳風潮組合界限，確定最優(yōu)工況。

3.1 結(jié)構(gòu)類型確定

從風潮成因分析可知，太陽輻射或者磁暴引發(fā)外洋風速，推波助瀾；月球引潮主宰近海潮位，風起潮涌。根據(jù)海塘護堤工程所處海域環(huán)境狀況，按功能要求和施工技術進步情況，斷面多數(shù)演化為復合類型。掩護港灣“有風必有浪”，說明風浪關系密切，按風速推算波浪，持續(xù)風時短，結(jié)構(gòu)以“土筑堤石護面”為主。敞開海灣“無風三尺浪”，表明外海風浪洶涌，持續(xù)風時長，波浪系列混合重組耦合振蕩，沿程推進涌向海岸，結(jié)構(gòu)以“石筑堤土防滲”為主。極端情況近岸高潮位低甚至無水，持續(xù)風時短，即使深水區(qū)風浪最大也不妨礙工程安全，但是近岸海灘容易遭受沖刷，可能危及海塘安全。因此潮位（天文潮+風暴潮）是防護工程安全的決定要素，尤其要關注歷史最高潮位與持續(xù)伴隨風速組合的情況。

為消減波浪能量，迎海面坡度宜采取下緩上陡斷面型式結(jié)構(gòu)，充分利用鎮(zhèn)壓層結(jié)合消能，盡可能減少波浪爬高，從而降低高度對軟土地基附加應力的影響，有效控制沉降變形，協(xié)調(diào)差異，并且預留工后沉降超高。但是要與允許越浪指標相協(xié)調(diào)，滿足防浪御潮結(jié)構(gòu)性能的要求，至少保證歷史最高潮位，或者按“潮四浪三”標準確定海塘高度，盡可能降高增寬拓展景觀視野，緩沖越浪提高海塘整體穩(wěn)定。

3.2 防御風險界定

面臨汛期，高潮位的波浪是影響沿海海塘工程安全的主要動力因素。掩護港灣受風浪作用，采用規(guī)范推薦的莆田公式計算風浪要素；敞開海灣受風浪與涌浪混合浪沿程傳遞，共同作用動力強勁，參照《敞開海域波浪計算方法》[1]結(jié)合《浙江省海塘工程技術規(guī)定（上冊）》，推算波浪要素。尤其是臺風期間，實測潮位為風暴潮與天文潮疊加的結(jié)果，風暴潮是由移行低氣壓和風應力引起的增水。通過歷次臺風過程綜合分析得出，遭遇臺風時，低頻率重現(xiàn)期天文大潮受強風速脅迫，增水產(chǎn)生重組振蕩，引起的風暴潮及波浪的基本特性如下：

（1）由熱帶氣旋吸收大氣能量發(fā)展為臺風時，外洋由風速控制風浪，近海主要受潮位影響：高潮位重現(xiàn)期大于10 a，由增水與天文大潮疊加產(chǎn)生，越浪量東海岸比港灣大，甚至超過允許越浪控制值；高潮位重現(xiàn)期小于10 a，由天文小潮與增水疊加產(chǎn)生，并且具有小潮汛增水反而大的特性；最高潮位一般滯于臺風登陸后。

（2）沿海最大波浪的波向為NE-E-SE，最大波浪通常出現(xiàn)在臺風登陸前，尤其要關注臺風“回南殺西”突變效應，過程歷時短暫，致災度高。

當遭遇臺風暴潮時，風潮組合并不是完全同頻率，而是以一定頻率異步位相為主相遇。根據(jù)理論研究成果和工程實踐經(jīng)驗，設計重現(xiàn)期T大于10 a，風潮組合呈負相關有序（從表1中可知，相關系數(shù)變化一致，屬于負相關有序）；設計重現(xiàn)期T小于10 a，在（1，e/（1-e-1））之間呈現(xiàn)正相關無序（從表1中可知，相關系數(shù)突變異常，屬于正相關無序），尤其是高頻率天文大潮遭遇強風速導致增水疊加，更要重點關注。因此，推斷海塘工程安全狀況，必須滿足風潮組合關系T≥（TaTb）0.5，否則要校核同現(xiàn)概率P（T∩）=1-（e-T/Ta+e-T/Tb）+T-1，檢驗風險程度確定所在閾值相應等級，予以警示并落實防范措施。

表1 風潮組合關系分析成果表

依據(jù)“斐波那契”數(shù)列特性，符合自然螺旋收縮或擴張發(fā)展規(guī)律，由同現(xiàn)概率劃分標準海塘工程風險閾值評估與預警等級，糾正閾值區(qū)間均化順應自然演變。依照受載狀況分3種類型（超臨載、臨載和亞臨載），據(jù)可能受災程度分為5級顏色（紅、橙、黃、藍、綠）予以警示，按發(fā)展趨勢分加劇型（黃、橙、紅）和趨緩型（橙、黃、藍）采取相應預案（見表2）。

表2 標準海塘風險評估與預警等級劃分表

4 風險與預測防范

為實現(xiàn)精準預測，應適時評估風險，加強應急保障措施，提升減災應對處置成效。外洋風速控制潮波推進，近海沿岸潮位決定波浪。根據(jù)海塘分海域的潮位和風速，將風潮組合隨機頻率重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換為相同頻率重現(xiàn)期，與防御標準的重現(xiàn)期進行比較，針對性預測風潮組合頻率的風險閾值，驗證海塘工程的安全狀況，作為理論依據(jù)，支撐防汛減災指揮決策。

4.1 罕遇風險評估

象山縣歷經(jīng)臺風暴潮影響，其中登陸象山縣和影響大的臺風，以所在敞開海域大目洋的門前涂海塘工程為例，選取受災最為嚴重且具有代表性的2次典型風潮組合：

其一是1956年8月1日臺風“溫黛”登陸，恰逢農(nóng)歷六月廿五天文小潮日，歷史潮位小于3.26 m（相當2 a一遇），由于增水疊加，潮位超過4.00 m（接近20 a一遇），持續(xù)風速42 m/s（復核值為210 a一遇），最大風速60 ～ 65 m/s。當時按歷代傳承的“潮四浪三”方法，推測塘頂高程5.00 ～ 6.00 m，經(jīng)計算相當于20 a一遇標準，風潮組合頻率重現(xiàn)期72 a，遠遠超過原來狀況的防御能力。據(jù)經(jīng)歷者描述，現(xiàn)場漫頂越浪超過塘頂3.00 m以上，導致全線潰決，損失慘重。校核其風潮組合的同現(xiàn)概率P（T∩）=-0.227 0＜0，說明遇低潮汛超強臺風使海灘及基礎沖刷，過程逐漸受到外海涌浪脅迫，抬升增水形成特高潮位，從而漫頂潰決，評估其風險概率屬于Ⅰ級紅色極重狀態(tài)。

其二是1997年8月18日臺風“溫妮”影響，正遇農(nóng)歷七月十五天文大潮汛，增水疊加潮位4.54 m（復核值為75 a一遇），持續(xù)風速35 m/s（38 a一遇），最大風速42 m/s，塘頂高程6.50～7.00 m（存在局部地段低），基本符合50 a一遇標準，風潮組合頻率重現(xiàn)期53 a略超過標準，幸好局部地段損毀及時搶險，避免了極重災害發(fā)生。校核其風潮組合的同現(xiàn)概率P（T∩）=0.238 3，對照表2處于（3e-1-1，1-2e-1]之間，評估其屬于Ⅱ級橙色嚴重狀態(tài)。

從案例中可知，門前涂海塘20～50 a一遇標準提升，工程結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化演進，有利防御減災；從傳統(tǒng)“潮四浪三”向現(xiàn)代“風潮組合”技術進步，考量時間進階、空間尺度和功能層次改進，符合自然災害發(fā)生周期41 a（30+11）變化組合規(guī)律。因此要特別注意海域水動力的極端風潮隨機組合，屬于比現(xiàn)行規(guī)范同頻組合更為不利的最不利工況，極有可能超越設防標準而致災。

4.2 常遇風險檢驗

象山縣皇城沙灘標準海塘工程位于象山縣東海岸面臨敞開海域，采用潮位與風浪同頻組合，當時設計標準為10 a一遇不允許越浪，接近20 a一遇允許越浪。根據(jù)20 a歷次風潮組合檢驗，雖然高潮位尚未達到設計指標值，但是遭遇的實際風浪超過設計重現(xiàn)期標準，其中受2012年臺風“海葵”、2017年臺風“燦鴻”的風浪動力作用影響，沙灘動態(tài)平衡變幅范圍廣，現(xiàn)實工程結(jié)構(gòu)整體安全，但因海浪攜帶大量海沙涌上塘頂沉積，越浪量明顯過大，需根據(jù)同現(xiàn)概率和越浪量的大小進行綜合分析判斷（見表3）。

表3 象山縣皇城沙灘工程風潮組合風險評估表

5 結(jié)語

反演算風潮組合分析結(jié)果可靠，表明低防御標準的風潮組合狀況可以保證結(jié)構(gòu)性能達到1.48T標準，進行簡單計算就可獲取結(jié)果，從而準確作出動態(tài)評價。風潮組合具有不確定性，以不變應萬變存在一定風險，要有與風險共存的意識，強化運行養(yǎng)護管理。其中潮位是決定性因素，同頻率設計結(jié)構(gòu)具備一定防御潛力和安全保障。風潮組合不確定性所蘊含的風險，可削弱服役工程結(jié)構(gòu)性能，逐漸產(chǎn)生累積效應，甚至有可能突破結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，這種演化態(tài)勢切不可掉以輕心。